專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面處理，更具體地說(shuō)，涉及一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，表面處理的要求也越來(lái)越高。目前市場(chǎng)上越來(lái)越多的產(chǎn)品要求產(chǎn)品的表面在具有超光滑表面的同時(shí)也具有一定形狀的結(jié)構(gòu)。具有亞微米形狀精度、納米及埃米級(jí)表面光潔度的超高級(jí)表面質(zhì)量的結(jié)構(gòu)型表面的某些產(chǎn)品越來(lái)越受到更多用戶(hù)的青睞。結(jié)構(gòu)型表面可用于光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)以及機(jī)電一體化等應(yīng)用領(lǐng)域。目前，生成結(jié)構(gòu)型表面的方法有快刀伺服(FTS :Fast Tool krvo)或慢刀伺服 (S3 =Slow Slide Servo)，以及微細(xì)銑削(Micro-Milling)等，但這些方法局限于加工非鐵材料，如銅、鋁等，或其他軟質(zhì)材料。拋光常用來(lái)控制表面光潔度，換言之，拋光的作用是獲得超光滑表面。拋光技術(shù)可以終加工模具模芯用以去除前期加工痕跡，比如刀紋。但是現(xiàn)有技術(shù)對(duì)拋光過(guò)程的控制存在很多不確定性，僅用于表面處理，只能實(shí)現(xiàn)表面光潔度控制?，F(xiàn)有的拋光技術(shù)無(wú)法使拋光過(guò)的表面同時(shí)具備結(jié)構(gòu)型表面和超光滑鏡面效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述現(xiàn)有技術(shù)對(duì)拋光過(guò)程的控制存在很多不確定性，僅用于表面處理，只能實(shí)現(xiàn)表面光潔度控制，而無(wú)法獲得結(jié)構(gòu)型表面的缺陷，提供一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，用戶(hù)通過(guò)在拋光仿真系統(tǒng)中設(shè)定拋光參數(shù)，并通過(guò)拋光仿真系統(tǒng)模擬拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，所述拋光參數(shù)包括拋光策略、表面設(shè)計(jì)參數(shù)、加工參數(shù)、拋光頭參數(shù)、工件材料以及拋光液的配比；所述拋光仿真系統(tǒng)包括輸入模塊、基于模型的仿真系統(tǒng)以及輸出模塊。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述輸入模塊包括拋光策略設(shè)定單元、表面設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定單元、加工參數(shù)設(shè)定單元、拋光頭參數(shù)設(shè)定單元、工件材料以及拋光液的配比設(shè)定單元，用戶(hù)通過(guò)輸入模塊的上述單元設(shè)定拋光參數(shù)。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述基于模型的仿真系統(tǒng)包括表面形貌生成模型，所述基于模型的仿真系統(tǒng)根據(jù)輸入模塊的輸入信息和影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素，計(jì)算并得出拋光軌跡以及拋光影響函數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)表面形貌生成模型仿真生成拋光工件的表面形貌。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述輸出模塊包括表面生成仿真信息輸出單元和表面誤差預(yù)報(bào)信息輸出單元，根據(jù)基于模型的仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果輸出表面生成仿真信息和表面誤差預(yù)報(bào)信息。
3
在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素包括拋光影響函數(shù)、拋光路徑和策略規(guī)劃。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述拋光策略包括光柵式拋光策略、螺旋式拋光策略、輻射式拋光策略以及隨機(jī)式拋光策略。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述拋光策略任意多項(xiàng)規(guī)劃和組合優(yōu)化生成新的拋光策略。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，對(duì)于采用拋光磨頭的機(jī)械拋光方法，根據(jù)Preston原則，其影響函數(shù)與拋光頭施與工件表面的壓力以及兩者之間的相對(duì)速度的關(guān)系，可表示為Mp = k · Pp · Vp · td ；其中Mp是位置點(diǎn)P處的材料去除率，k是Preston系數(shù)，Pp是拋光壓力，Vp是點(diǎn)P 處的相對(duì)速率，td是拋光駐留時(shí)間。在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述參數(shù)拋光壓力P與拋光接觸區(qū)的位置r的二維線(xiàn)性曲線(xiàn)形狀與高斯(Gaussian)曲線(xiàn)相似，拋光壓力曲線(xiàn)可表達(dá)為一個(gè)修正高斯方程(Modified Gaussian Function)
f 1義、
I γ — q尸(r) = aexp---。
νJ在本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法中，所述參數(shù)r = IPOJ = Dtan(a ), c = 0, a = Pm是拋光接觸區(qū)中心最大壓力，即戶(hù)(《)= Pm exp^(/)tan(a)/^j，所述參數(shù)α表示在接觸區(qū)的位置；所述參數(shù)b和參數(shù)λ由拋光壓力、拋光布材料決定。實(shí)施本發(fā)明的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，具有以下有益效果(1)本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法可處理含鐵材料和難加工材料，如鈦合金、工具鋼等，以及其他脆性材料，如玻璃、陶瓷等；(2)本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法具有生成更多不同結(jié)構(gòu)型表面及紋理的能力，而這些表面紋理用其他加工方法不可能實(shí)現(xiàn)；(3)本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法為生成不同的結(jié)構(gòu)型表面提供更多解決辦法；(4)本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法通過(guò)數(shù)學(xué)建摸與仿真來(lái)拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖1所示為拋光影響函數(shù)的一維線(xiàn)性視圖；圖加所示為通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例一的仿真結(jié)果示意圖；圖2b所示為圖加所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖3a所示為通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例二的仿真結(jié)果示意圖；圖北所示為圖3a所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖如通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例三的仿真結(jié)果示意圖；圖4b所示為圖如所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖fe通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例四的仿真結(jié)果示意圖；圖恥所示為圖fe所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖6a通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例五的仿真結(jié)果示意圖；圖6b所示為圖6a所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖7a通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例六的仿真結(jié)果示意圖；圖7b所示為圖7a所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例七的仿真結(jié)果示意圖；圖8b所示為圖8a所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖9a通過(guò)改變影響函數(shù)生成的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)構(gòu)型表面具體實(shí)施例八的仿真結(jié)果示意圖；圖9b所示為圖9a所對(duì)應(yīng)的影響函數(shù)示意圖；圖IOa所示為光柵式拋光策略示意圖；圖IOb所示為螺旋式拋光策略示意圖；圖IOc所示為輻射式拋光策略示意圖；圖IOd所示為隨機(jī)式拋光策略示意圖；圖Ila所示為螺旋式拋光策略所生成的表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖lib所示為水平光柵式拋光策略所生成的表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖Ilc所示為十字光柵式拋光策略所生成的表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖12a所示為單向光柵拋光的實(shí)測(cè)表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖12b所示為單向光柵拋光的預(yù)測(cè)表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖12c所示為交叉光柵拋光的實(shí)測(cè)表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖12d所示為交叉光柵拋光的預(yù)測(cè)表面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖13所示為本發(fā)明的拋光仿真系統(tǒng)的邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過(guò)數(shù)學(xué)建摸與仿真的方法來(lái)拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性。本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法為用戶(hù)通過(guò)在拋光仿真系統(tǒng)中設(shè)定拋光參數(shù)，并通過(guò)拋光仿真系統(tǒng)模擬拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，拋光參數(shù)包括拋光策略、表面設(shè)計(jì)參數(shù)、加工參數(shù)、拋光頭參數(shù)、工件材料以及拋光液的配比；
如圖13所示，拋光仿真系統(tǒng)包括輸入模塊、基于模型的仿真系統(tǒng)以及輸出模塊。輸入模塊包括拋光策略設(shè)定單元、表面設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定單元、加工參數(shù)設(shè)定單元、 拋光頭參數(shù)設(shè)定單元、工件材料以及拋光液配比的設(shè)定單元，用戶(hù)通過(guò)輸入模塊的上述單元設(shè)定拋光參數(shù)?；谀Ｐ偷姆抡嫦到y(tǒng)包括表面形貌生成模型，基于模型的仿真系統(tǒng)根據(jù)輸入模塊的輸入信息和影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素，計(jì)算并得出拋光軌跡以及拋光影響函數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)表面形貌生成模型仿真生成拋光工件的表面形貌。輸出模塊包括表面生成仿真信息輸出單元和表面誤差預(yù)報(bào)信息輸出單元，根據(jù)基于模型的仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果輸出表面生成仿真信息和表面誤差預(yù)報(bào)信息。影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素包括拋光影響函數(shù)、拋光路徑和策略規(guī)劃。拋光策略任意多項(xiàng)規(guī)劃和組合優(yōu)化生成新的拋光策略。對(duì)于采用拋光磨頭的機(jī)械拋光方法，根據(jù)I^reston原則，其影響函數(shù)與拋光頭施與工件表面的壓力以及兩者之間的相對(duì)速度的關(guān)系，可表示為Mp = k · Pp · Vp · td。(1)其中Mp是位置點(diǎn)P處的材料去除率，k是Preston系數(shù)，Pp是拋光壓力，Vp是點(diǎn)P 處的相對(duì)速率，td是拋光駐留時(shí)間。拋光壓力P與拋光接觸區(qū)的位置r的二維線(xiàn)性曲線(xiàn)形狀與高斯(Gaussian)曲線(xiàn)相似，拋光壓力曲線(xiàn)可表達(dá)為一個(gè)修正高斯方程(Modified Gaussian Function)
1 r_cl\P(r) = aexp---。(2)
νJr = POb =01&11(0)，(； = 0，￡1 =卩。1是拋光接觸區(qū)中心最大壓力，即戶(hù)⑷=T^exp〔-去(Dtan⑷/印)，(3)參數(shù)α表示在接觸區(qū)的位置；參數(shù)b和參數(shù)λ由拋光壓力、拋光布材料決定。除了拋光影響函數(shù)，拋光路徑和策略規(guī)劃也將影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成。如圖 IOa d所示，主要有四種拋光策略，包括光柵式、螺旋式、輻射式以及隨機(jī)式。拋光策略影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理走向及模式如圖1 d所示，光柵式拋光策略?huà)伖獬鰜?lái)的表面類(lèi)似U型槽(波浪形)的結(jié)構(gòu)型表面，交叉光柵式拋光將生成格子狀紋理的結(jié)構(gòu)型表面。適當(dāng)選擇和組合這些拋光策略可生成不同的拋光策略。規(guī)劃和組合優(yōu)化產(chǎn)生的新的拋光策略可以生成不同的結(jié)構(gòu)型表面。用英國(guó)Zeeko公司的7軸超精密拋光機(jī)(Zeeko IRP200)進(jìn)行了一系列的拋光實(shí)驗(yàn)研究。表1列出了所設(shè)計(jì)的不同拋光策略用以實(shí)際拋光實(shí)驗(yàn)。對(duì)于光柵式拋光策略，有水平拋光(H)和豎直拋光(V)策略。表1拋光路徑
權(quán)利要求
1.一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，用戶(hù)通過(guò)在拋光仿真系統(tǒng)中設(shè)定拋光參數(shù)，并通過(guò)拋光仿真系統(tǒng)模擬拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，所述拋光參數(shù)包括拋光策略、表面設(shè)計(jì)參數(shù)、加工參數(shù)、拋光頭參數(shù)、工件材料以及拋光液的配比；所述拋光仿真系統(tǒng)包括輸入模塊、基于模型的仿真系統(tǒng)以及輸出模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述輸入模塊包括拋光策略設(shè)定單元、表面設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定單元、加工參數(shù)設(shè)定單元、拋光頭參數(shù)設(shè)定單元、工件材料以及拋光液的配比設(shè)定單元，用戶(hù)通過(guò)輸入模塊的上述單元設(shè)定拋光參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述基于模型的仿真系統(tǒng)包括表面形貌生成模型，所述基于模型的仿真系統(tǒng)根據(jù)輸入模塊的輸入信息和影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素，計(jì)算并得出拋光軌跡以及拋光影響函數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)表面形貌生成模型仿真生成拋光工件的表面形貌。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述輸出模塊包括表面生成仿真信息輸出單元和表面誤差預(yù)報(bào)信息輸出單元，根據(jù)基于模型的仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果輸出表面生成仿真信息和表面誤差預(yù)報(bào)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述影響結(jié)構(gòu)型表面的紋理生成的因素包括拋光影響函數(shù)、拋光路徑和策略規(guī)劃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述拋光策略包括光柵式拋光策略、螺旋式拋光策略、輻射式拋光策略以及隨機(jī)式拋光策略。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述拋光策略任意多項(xiàng)規(guī)劃和組合優(yōu)化生成新的拋光策略。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，對(duì)于采用拋光磨頭的機(jī)械拋光方法，根據(jù)Preston原則，其影響函數(shù)與拋光頭施與工件表面的壓力以及兩者之間的相對(duì)速度的關(guān)系，可表示為Mp = k · Pp · Vp · td ；其中Mp是位置點(diǎn)P處的材料去除率，k是Preston系數(shù)，Pp是拋光壓力，Vp是點(diǎn)P處的相對(duì)速率，td是拋光駐留時(shí)間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述參數(shù)拋光壓力P與拋光接觸區(qū)的位置r的二維線(xiàn)性曲線(xiàn)形狀與高斯(Gaussian)曲線(xiàn)相似，拋光壓力曲線(xiàn)可表達(dá)為一個(gè)修正高斯方程(Modified Gaussian Function)
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，其特征在于，所述參數(shù)r =POb =0切11((1)，(； = 0，￡1 = 1是拋光接觸區(qū)中心最大壓力，即
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法，用戶(hù)通過(guò)在拋光仿真系統(tǒng)中設(shè)定拋光參數(shù)，并通過(guò)拋光仿真系統(tǒng)模擬拋光生成結(jié)構(gòu)型表面，所述拋光參數(shù)包括拋光策略、表面設(shè)計(jì)參數(shù)、加工參數(shù)、拋光頭參數(shù)、工件材料以及拋光液的配比；所述拋光仿真系統(tǒng)包括輸入模塊、基于模型的仿真系統(tǒng)以及輸出模塊。本發(fā)明所述的利用拋光生成結(jié)構(gòu)型表面的方法可處理含鐵材料和難加工材料，具有生成更多不同結(jié)構(gòu)型表面及紋理的能力，而這些表面紋理用其他加工方法不可能實(shí)現(xiàn)，使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102479266SQ20101056098
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者何麗婷, 孔令豹, 張志輝, 李榮彬, 杜雪 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)